应对“2025 悬崖”——开放式自动化系统

两大开放自动化组织：NAMUR和OPAF

　　最终用户一直在呼吁系统开放，以更好的收集和集成来自不同供应商的各种系统和设备的数据。自动化供应商正在致力于通过提供符合国际标准的开放系统来帮助制造业用户应对挑战。

　　日本经济产业省最近发布了一份题为“应对信息技术 (IT) 系统‘2025 悬崖’和数字化转型重大发展”的报告，该报告将遗留的 IT 系统确定为影响数字化转型发展的主要障碍。其实，遗留系统的障碍并不限于 IT 系统 ；遗留的自动化控制和监控系统也会造成障碍。

　　该数字化转型报告指出了各种问题，例如技术过时导致的黑箱、系统设计人员的退休以及由于新技术的引入而造成的进一步限制。使用带有专有硬件和软件的“黑匣子” 可能会暂时性的解决一些问题，但这有可能会产生一堆不兼容的技术。已经实施的自动化系统，它们预期的服务年限为 20 年或 30 年，这使升级或更换更困难。

　　鉴于这些情况，可以认为自动化系统或分布式控制系统 (DCS) 供应商的任务，就是在不干扰运营的情况下提供最新技术，而这需要更开放的系统。在技术领域，开放意味着实现规范和标准化的设计，并通过使用标准化的开放接口消除定制集成带来的不便。

标准合规性包括认证过程。

　　从封闭到部分开放的自动化

　　一般情况下，DCS 供应商将专有产品集成到完整系统中，利用这种方式来满足最终用户的期望。供应商开发的产品除了具有一致和稳定的性能，还强调差异化特性。一直以来，他们使用现有的商业技术来改进系统以满足市场需求，使这些系统逐渐符合事实标准和国际标准。到目前为止，这种演变不仅通过专有开发，而且通过整合市场上可用的通用产品而取得进展。

　　为了获得竞争优势，供应商参与标准开发并收购其它公司。以强调最终用户利益的名义，出现了加强市场地位和产品组合的竞争。同时，一些功能变得标准化，使得现场设备与各种系统的连接成为可能，减少对同 一个供应商的依赖，为最终用户带来更多选择。OPC Classic（DA、A&E、HDA）、基金会现场总线、ISA100 Wireless 和其它国际标准通信协议，成为了增加系统价值的驱动力。 

　　因此，现在很多 DCS 供应商将其角色定位为：向最终用户提供服务的系统集成商，而不是专有产品的制造商。

　　标准赋能开放式自动化系统

　　在满足最终用户需求方面，部分开放的系统发挥了作用，但随着时间的推移，它们会逐步被更新的系统所取代，这些系统需要经常更新以保持最新状态。这种演变对于支持最终用户和采用通用操作系统、以太网通信、虚拟化等技术以及其它技术进展是必要的（图 1）。

图1 ：现在的DCS 系统更加开放，可以满足最终用户的需求。图片来源：横河电机

　　然而，市场已经发生了变化，这种安排也有其局限性。供应商可能需要从整合他们的系统转变为开发最终用户的业务，同时与其他供应商公司合作，而这其中一些可能是直接竞争对手。

　　为了应对这种范式转变，出现了由一些企业组建的网络平台，并形成了商业生态系统。例如，考虑技术标准和行业发展的代表性组织包括 NAMUR，它是总部设在德国的一个国际性过程工业自动化用户协会，以及开放过程自动化论坛（OPAF），该组织负责制定和开发 O-PAS（开放过程自动化标准） 系统。

　　NAMUR 开放式架构 (NOA) 和 OPAF 致力于讨论供应商中立的系统，这意味着它们可以随时使用最新技术以接纳设备和功能，而未来兼容系统将继续使用现有的软件应用。

　　以 NOA 为例，在现有系统之外，配置了一个被称为监控和优化的独立域，以直接从新传感器（如振动、音频、腐蚀、气味）、 机器人、无人机和其它设备获取数据。此外， OPC 基金会的通信标准 OPC UA 被用来从现有系统中获取数据，以进行高级控制、分析和诊断。在安全措施方面，这种方式与 IEC  62443（控制系统安全）推荐的区域设计很相似，便于系统设计和维护。OPAF 通过倡导独立于现有系统来推广更多相同的想法。

　　供应商开发的核心系统网络是至关重要的，因为它们今天被用于许多制造现场，在安全性和稳定性方面受到信任。然而，当涉及到引进对系统发展至关重要的新技术时，这些网络可能会成为障碍，并且在未来可能会阻碍最终用户实施对其有益的解决方案。 此外，必须采取持续措施以解决未来潜在的安全问题，而这些网络的原始规范可能会带来某种程度的限制。

　　OPC UA 和 Profinet 正在强化其作为核心系统网络的影响力，并作为符合国际标准的强大网络而受到关注。抛开传统思维， DCS 供应商可以从专有系统开发过渡到使用商用软件和硬件。因此，企业可以通过合作来解决最终用户的问题，同时充分利用其内部优势。

　　正在进行的关于架构要求的 OPAF 讨论， 涉及互操作性、模块化、标准一致性、安全标准合规性和可扩展性。所有这些属性对于开放都是必不可少的，需要不断努力。此外，他们表示公司各司其职对于建立关系至关重要。这些属性强调了对生态系统的需求，这些系统促进最终用户、系统集成商、供应商和服务提供商之间的合作。在封闭系统领域，管好自己的产品就足够了，但开放的世界需要整合，不管是哪个制造商。

　　开放性面临的挑战

　　开放性对最终用户很有吸引力，并很自然地认为可以构建灵活的系统，以允许市场和用户决定随着时间的推移他们将如何发展。 对于 DCS 供应商而言，重要的是不仅要将符合标准的产品推向市场，还要决定如何构建和参与商业生态系统。使用在现有系统上运行的应用软件也很重要，供应商在推进系统开发时应该考虑这些问题。此外，还需要对国际标准、安全措施和系统互操作性的支持。

　　从系统集成的角度来看，必须符合国际标准，并需要通过第三方认证机构进行认证。 企业应确保其系统产品符合 IEC 62443（控 制系统安全）和 IEC 62541（OPC UA）的要求，这些活动在未来将会持续进行。

　　对于安全措施， 制造商需要遵循 IEC 62443 中的规定，特别是要获得 ISA Secure SDLA 和 CSA 认证。IEC 62541（OPC  UA）也提到了安全措施，主要集中在通信方面。它解决了数据完整性、机密性和可用性的身份验证和加密问题，以防止信息泄漏，即使在检测到欺骗、 伪造或窃听时也是如此。

　　系统互操作性 

　　在系统互操作性方面， NOA 和 OPA 提倡信息模型的标准化，并利用 OPC  UA 元模型、内置信息模型以及 IEC 62814（AutomationML）以及 IEC  62541 中规定的其它项目，来推进 NAMUR 开放架构信息模型和 O-PAS 信息模型。

　　借助 OPC UA 和 Automation ML 标准，可以统一用不同格式表达相同信息的不同规则和数据结构。目前，将 AutomationML 作为 OPC UA 配套规范信息模型的一部分进行处理，因此优先支持 OPC UA 信息模型（图 2）。

图2 ：OPC UA 包括提供标准化和定制机会的模型和扩展

　　对开放标准的支持 

　　NOA 和 OPAF 倡导的开放性，旨在在不干扰现有系统的情况下融入先进技术。例如，横河电机开发的协同信息服务器（CI 服务器），就可以为用户提供开放系统选项（图 4）。CI 服务器可以集成处理来自工厂设施和 系统的各种数据，以实现对整个企业生产活 动的优化管理，并提供从任何地点远程监控 和控制操作所需的环境。

横河电机的协同信息服务器提供符合国际标准的自动化系统架构。

　　CI 服务器背后的理念，是横向和纵向集成、广域集成、节省劳动力和创新运营。它们代表了一种集成运营功能，整合了现场和工厂的所有自动化组件、系统和设备，从而可以轻松管理获取的数据和结果信息。

　　作为其主要通信协议，CI 服务器支持工业通信标准 OPC  UA（客户端 / 服务器和发布者 / 订阅者功能）、消息队列遥测传输 (MQTT) 和开放式数据库连接。 MQTT 是物联网 (IoT) 实施的最佳 通信标准，可以在设备之间交换各种数据和信息。

　　传统的自动化系统主要针对过程数据（温度、压力、流量、 液位等）。然而，从控制各种设备和装置的设备、系统中获取数据已经成为可能，从而可以提供集中管理所有工厂数据和信息的 能力。

　　遵循 OPC UA 的信息模型标准规范，所获取的数据不再依赖于特定的系统，可以利用 OPC  UA 的配套规范信息模式来创建增值信息。

　　开放自动化未来的发展 

　　采用 IT 最新技术，可以加速开放性的进展，对自动化系统的期望正从安全性和稳定性，扩大到通过有效运营提高盈利能力。 这意味着应对快速的市场变化、优化成本、提高质量和运营效率以及进行其它改进。为了实现这些目标，重要的是将分布在整个工厂的数据作为相关信息提供给适当人员。

　　以前必须手动使用统一格式收集和组织所需数据。CI 服务器将这些任务自动化，节省了时间，并确保将正确的信息实时传递给正确的人，以便快速有效地做出决策。CI 服务器能够快速响应市场变化，帮助优化成本和提高运营效率，不仅适用于单个工厂， 而且适用于整个企业的制造运营。 通过为工厂运营及其相关数据创建全局信息模型，CI 服务器将所有类型的数据之间的关联实现数 字化。

CI 服务器能够以统一的格式将数据链接起来。

　　在数字化工厂中，自动化的数据循环支持着运营，通过自动化的收集和存储现场数据，分析、 建模并使用生成的大数据来改进运营和业务决策。部署开放系统有助于减轻工厂人员的负担，否则他们将不得不部署定制的解决方案或实施手动操作。

　　关键概念： 

　　■ 随着标准的不断变化，控制系统越来越依赖于开放技术。 

　　■ 当前很多标准都是供应商中立的，这让用户可以更自由地使用他们的工业网络。 

　　■ 协作信息服务器为用户提供了一个开放的系统选择，减轻了工厂人员的负担。

　　思考一下： 

　　在处理工业网络协议时您遇到了哪些挑战或问题？

作者：www.cechina.cn